從科學角度解釋,為什麼太陽光不是平行的?用鐵路作比較就明白了

2020-12-04 悟空科學世界

太陽距離我們約1.5億公裡,為什麼它的光線看起來像從不同的方向「飛來」一樣?這種現象在多雲的天氣中尤為明顯。考慮到太陽與地球的巨大的距離,光子到達我們的地球應該是幾乎平行飛行的才對,不是嗎?

我喜歡這個問題,因為它影響了日常生活中的現象,在我的一生中,我的每一位讀者可能至少看過一次這樣的現象,所以我決定就這個話題寫一篇短文。

太陽光並不總是能用肉眼看見的。在典型的無雲晴天,你將看不到任何單個的光線,但如果你還能分辨它們的話,那你就會確信,當沒有任何東西幹擾陽光的情況時,太陽的光線是嚴格平行的。

當陽光穿過地球大氣層時,有兩種可能的情況:陽光穿過大氣層,要麼沒有發生明顯的方向變化,要麼同時散射並指向各個方向。在天空被雲層覆蓋的日子裡,儘管太陽被雲層遮住了,但我們仍然可以看到周圍的一切。

這種效應還有另一種表現形式,即使在晴朗無雲的日子裡,如果你看你的影子,你會注意到影子被照亮了,也就是說,你仍然可以看到你的影子掉落在物體上。這是因為我們所看到的陽光,只有大約一半是來自陽光直射的,其餘的則是來自周圍的物體、地球表面、空氣中的微小塵埃粒子,甚至是空氣本身的分子反射出來的光。

那些觀測到日全食的人,可能注意到,儘管太陽幾乎完全被月球覆蓋了,但它看起來並不像夜晚。儘管變暗了,但我們仍然能看到周圍的一切。為什麼呢?實際這種效應也是光散射的結果,散射光會同時向各個方向進行傳播。

考慮到這一點,讓我們回到太陽光線向不同方向散射的現象。

陽光可以穿過雲層的空隙,它們看起來比它們周圍的陽光更加明亮,因為它們是陽光的直接照射,而且它們的周圍也充滿了散射的陽光。

你可能會認為,雲層起到了稜鏡或透鏡的作用,使太陽光發生折射或聚焦,但事實並非如此。雲吸收和散射陽光,只有在雲層形成間隙的地方才能看到可見的光線。

在我們看來,從雲層的縫隙中射出的太陽光,是朝著不同方向射出的,但事實果真如此嗎?針對從縫隙中出來的光線而言,如果我們拿著測量儀器去確定太陽光線的準確方向,那我們會發現,這些太陽光線是嚴格平行的。

為什麼我們認為它們不是平行的,而且從視覺上看,它們似乎不是相似的?假設我們從雲層的縫隙中觀測到兩條光線,它們彼此相距2公裡的距離,並落在地面上。在我們看來,光線並不是平行的,因為從我們的角度來看,雲層中的空隙是彼此緊挨著的,但事實上,在高海拔上,空隙間的距離是很遠的。由於透視效果的影響,對我們來說,這距離看起來似乎很小。

出於完全一樣的理由,在我們看來,鐵路軌道似乎並不平行,而且還認為,它們似乎在某個遙遠的地方會聚在一起。但事實上,不管你在鐵路上走多遠,你都不會到達軌道聚合的地方。它們之間的距離總是一樣的。不是嗎?

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